陳昶樂：做國際原創高端聚烯烴產品

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/2/494352.shtm

提起聚烯烴，你可能沒聽過，但是在日常生活中肯定接觸和使用過，比如塑料袋、礦泉水瓶蓋、薄膜等。中國科學技術大學教授陳昶樂的研究工作就是如何讓這種材料性能變得更好。

變得更好，意味著這是一條向上的路，注定不那么輕松。但他的回答是：“如果再選一遍，我一定還會選擇化學。化學科研的道路雖然辛苦，但也樂在其中。我幾乎每天都在工作，但是事實上不是在工作，而是在從事自己喜歡的事情。”

  ?

陳昶樂（左二）指導團隊成員（課題組供圖）

挑戰最后的“圣杯”

聚烯烴是世界上產量最大的合成高分子材料之一，占全部塑料的一半左右，全球平均每人每年使用量超過30公斤。聚烯烴材料被廣泛用于農用地膜、管道、日常包裝、汽車部件、電氣絕緣、軍事、醫療防護等領域。

在科研工作上，有冷門課題與熱門課題之分。在20世紀60年代，聚烯烴領域當屬熱門，當時全球多個團隊都參與到烯烴聚合的開發中來。1963年，德國化學家齊格勒與意大利化學家納塔就因為烯烴聚合催化劑方面的研究共同獲得諾貝爾化學獎。

經過近80多年的發展，很多人認為，聚烯烴領域已經很古老、體系很成熟了，在學術界和工業界都有大量的研究積累。

換句話說，聚烯烴領域趨向于“冷門”了。“要知道，許多問題前人早已研究出來，而沒有解決的問題，別人幾十年都解決不了，一下子想要做出一些突破是非常困難的。”陳昶樂坦言。

比如難啃的“硬骨頭”有：聚烯烴一般是非極性的，這導致其印刷性、染色性等很多性質比較差。為了改善其性質，人們可以在聚烯烴主鏈中引入少量的極性單體。然而，這一過程的實現非常具有挑戰性，被認為是聚烯烴領域最后的“圣杯”之一。

我國是全球聚烯烴生產和消費的第一大國。但是，目前我國聚烯烴產業出現一個低端產品嚴重過剩、高端產品進口依賴度高的矛盾局面。比如我國光伏發電產業技術基本實現了自主創新，但是用于光伏組件封裝的聚烯烴彈性體材料還完全依賴進口，并且國外的生產工藝技術對國內也是嚴密封鎖的。

從在中國科大獲學士學位，到前往美國芝加哥大學攻讀博士（期間獲得芝加哥大學化學系Nathan Sugarman教學獎，化學系歷史第一個榮獲此獎的中國人)，一直到美國西北大學從事博士后研究階段，陳昶樂始終聚焦于聚烯烴，并積累了10余年的研究經驗。

他清晰地意識到，“我們唯有通過科技創新，攻克關鍵核心技術、打破壟斷,才能有可能實現聚烯烴產業高質量發展。” 

2012年10月，當時正在福布斯500強的塞拉尼斯公司工作的陳昶樂做了一個決定：回國，加入中國科大，向聚烯烴領域最后的“圣杯”之一發起挑戰。

他說，“我希望搭上我國高速發展的快車道，為我們國家做一些事情。在聚烯烴這個傳統的領域，如果我們能夠做出一些開創性的工作，將會起到推動與引領作用，意義重大。”

  ?

陳昶樂（左二）指導團隊成員 課題組供圖

“試試，再試試”

就這樣，2013年1月，正值30歲的陳昶樂放棄國外高薪回到中國科大，成為該校年輕的教授博導。

他將研究內容分為兩塊：一塊是如何高效地在非極性聚烯烴里面引入極性官能團的基礎研究，另一塊是做應用導向研究，希望有可能實現高端聚烯烴工業化的應用。自此，一場“硬仗”開始了。

“聚烯烴的核心是催化劑，它可以把烯烴單體聚合起來。但是一旦引入極性官能團，催化劑可能‘死掉’，失去活性。”陳昶樂介紹，發展新型高性能催化劑是拿下最后“圣杯”的關鍵所在。

研究初期，他們進行了大量的催化劑試錯與篩選工作。陳昶樂笑稱自己做的是“勞動密集型產業”。

“當時，我們大概改了三四十種催化劑，仍然沒有找到合適的。”陳昶樂有些猶豫了，如果放棄，之前花費的時間就白費了；但是繼續堅持下去的話，有可能再花費一年兩年的時間，還是不出結果怎么辦？

實際上，這也代表了目前整個聚烯烴領域的研究現狀：雖然有一定的理論指導，即文獻報道了成千上萬種烯烴聚合催化劑，但要從中得到高性能的催化劑，極其耗時耗力且成功率很低。

陳昶樂決定“試試、再試試”。“在實驗室里，陳老師手把手指導我們做實驗，不夠好、再改；還不夠好，再改；一直改到很好為止……所以經常是從早上8點到晚上12點，陳老師都與我們一起共同‘作戰’”。陳昶樂的實驗室成員鄒陳回憶。

正是這種堅持不懈、堅定不移朝前走的精神，他們成功發展了一系列全新的催化劑設計策略并制備了全新的催化劑體系。

同時，針對催化劑設計領域主要基于試錯法，效率低、成功率低的特點，陳昶樂課題組設計并發展出了一系列新型的、通用的調控手段，可以實現對烯烴聚合反應過程更好的調控，這在國際上都是具有引領性。

國際學術界認為，引入極性單體“好”，可以改善聚烯烴性質、提升性能。但是國際上從來沒有人系統地研究過，會“好”到什么程度？怎么好？具體的性質又是什么？陳昶樂帶領團隊率先對功能化聚烯烴材料的一系列宏觀性質以及可能的應用方向進行了“普查”。

在以上一系列工作的基礎上，陳昶樂又開始新型催化劑以及功能化聚烯烴材料工程應放大方面的探索。

陳昶樂曾說，“在聚烯烴研究道路上遇到的最大挑戰是如何將自己的研究與文獻中大量的聚烯烴相關研究中區別開來，形成自己的學術標簽。”

  ?

陳昶樂在中科科樂指導工作 課題組供圖

“勇敢走出舒適區挑戰新研究方向”

2020年5月，科技部等9部門印發《賦予科研人員職務科技成果所有權或長期使用權試點實施方案》，這進一步激發了科研人員創新熱情，促進科技成果轉化。

在這一大背景下，原本就有意將科研成果推向工業化應用的陳昶樂，在2022年順利成立了合肥中科科樂新材料有限公司，并且成功獲得了2600萬的風險投資，用于推進高端聚烯烴彈性體的工業化制備。

“目前，市場上聚烯烴彈性體都是由國外生產，國內沒有生產商能夠生產。它的主要用途是光伏封裝，還有汽車車用塑料的改性，以及鋰電池的隔膜等方面。”陳昶樂介紹，比如在光伏封裝領域，聚烯烴彈性體可以把光伏的組件封裝起來，這樣光伏發電在野外惡劣的環境中，也能起到更好地阻隔和透光作用。

當真正和市場開始對接，陳昶樂和團隊成員發現，市場的需求和自己的研究方向有很大的不同。“因為在大學里研究和關注的是更新更好，但是要到市場的話，還要考慮成本的問題、市場接受度的問題。不是你的產品越好，市場就會越買賬。”陳昶樂說，真正要把我們原創的聚烯烴彈性體材料推向市場，還有很長一段路要走。

現如今，中科科樂新材料的發展逐漸步入正軌，正在做十噸級聚烯烴彈性體的放大實驗。下一步，他們準備建設萬噸級的生產線，進行批量的量產。

對于未來，陳昶樂充滿信心且堅定，“我的目標是要用國際原創的催化劑做國際原創的高端聚烯烴產品，在一系列高端聚烯烴材料領域，比如聚烯烴彈性體、環烯烴共聚物、超高分子量聚乙烯等。”